活動斷層作用下地裂縫開裂機理研究

邵長慶，楊 強，李 浩，馬學(xué)軍，王兵虎，宋 偉，呂鳳蘭，邊文英

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.河北省國土資源勘察中心，河北 石家莊 051000)

關(guān)于地裂縫成因機理的學(xué)說較多。早在20世紀初，美國地質(zhì)調(diào)查局牽頭多家單位在美國西南部新構(gòu)造運動比較活躍的盆地和谷地地區(qū)，對地裂縫災(zāi)害的形變監(jiān)測及成因機理展開重點研究，對地裂縫的成因形成了三種觀點：構(gòu)造成因、地下水開采成因和構(gòu)造與地下水開采復(fù)合成因，其中Leonard從地震的角度提出了地裂縫的構(gòu)造成因觀點[1]，為最早的地裂縫構(gòu)造成因提出者。國內(nèi)學(xué)者所持觀點與美國學(xué)者基本保持一致，主要保留“水成說”、“構(gòu)造說”、“綜合說”[2]，其中“水成說”是前人研究地裂縫形成原因的重要學(xué)說之一，其原因是開采降低了第四紀松散層中的孔隙水壓力，使得松散層有效應(yīng)力增加[3]，引起地面下沉和破壞[4]。但是“水成說”仍存在較多未解答的問題，如：隨著地層年齡的增加，地裂縫垂直錯距逐漸加大；華北平原地下水過量開采是1970年開始的[5]，而地裂縫近期活動卻見于1959年，甚至更早；地裂縫的開裂方向和大區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場相吻合，且不隨地下水降落漏斗和沉降中心改變而改變等問題。

目前，國內(nèi)地裂縫工作者基于這些學(xué)說，將地裂縫主要分為構(gòu)造地裂縫和非構(gòu)造地裂縫，這種分類方法把構(gòu)造成因和非構(gòu)造成因劃清界限，撇清關(guān)系，看似非常清楚，卻未能解釋地裂縫開裂的諸多關(guān)鍵問題，最終導(dǎo)致爭論不斷，比如對華北平原有嚴重影響的隆堯地裂縫[6]，仍有不少學(xué)者在爭論其成因機理，這種分類方法的弊端顯而易見。筆者認為爭論的根本原因是活動斷層與全新世淺表層地層開裂兩者之間的聯(lián)動機制尚未研究清楚。

本文以華北平原地裂縫為例，系統(tǒng)總結(jié)了典型地裂縫地面塌陷分布、發(fā)育特征，結(jié)合地球物理勘察、槽探揭露和鉆探等多種技術(shù)方法，探討活動斷層與全新世淺表層地層開裂兩者之間的聯(lián)動機制。以華北平原伸展構(gòu)造環(huán)境為大背景[7]，從第四紀沉積演化的角度出發(fā)，考慮人類活動的影響，避免首先回答是構(gòu)造地裂縫還是非構(gòu)造地裂縫的問題，而是將地裂縫看作是第四紀全新世演化過程中的一種現(xiàn)象，且認為第四系上部非飽和土體中大量存在的“結(jié)構(gòu)缺陷部位”[8]是在構(gòu)造應(yīng)力場作用下產(chǎn)生“破壞”的內(nèi)部因素?；诖藢⑷A北平原地裂縫分為全新世節(jié)理裂隙型地裂縫和全新世活動斷層型地裂縫。

1 全新世節(jié)理裂隙型地裂縫

華北平原地裂縫具有分布廣泛、相對集中的特點[9]，僅河北平原新發(fā)現(xiàn)地裂縫就達幾百條[10]。此類地裂縫規(guī)模不大，危害性較小。本文選取位于廊坊市大城縣權(quán)村鎮(zhèn)小村地裂縫為題材，進一步說明地裂縫、全新世張性節(jié)理裂隙和活動斷層三者之間的聯(lián)動機制。

1.1 地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀

據(jù)訪者(村民劉龍海)介紹，此裂縫最早在1983年6月雨后開裂，從該村西南棗樹林至村東北玉米地，斜穿小莊村，近北東方向展布(圖1)，并造成村莊內(nèi)至少8處房屋墻體開裂，墻體最大裂縫寬2 cm。最新調(diào)查時間為2016年7月大暴雨過后，該裂縫在地表處開啟。此次開啟的裂縫與初始發(fā)現(xiàn)裂縫的位置并非完全重合，處于相鄰狀態(tài)，間距約1.5 m左右。

圖1 小莊地裂縫走向Fig.1 Trending direction of the ground fissure in Xiaozhuang

裂縫呈近直線型發(fā)育，走向20°～25°，長度大于1 000 m，開裂寬度0.45～0.10 m，最大可見深度1.0 m，局部發(fā)育塌陷坑，穿越荒地、田間土路、棗樹林、玉米地等，裂縫兩側(cè)地表無高差(圖2～3)。

圖2 地面開裂Fig.2 Ground cracking

圖3 局部塌陷Fig.3 Local collapse

1.2 淺表層節(jié)理裂隙發(fā)育狀況

為揭露淺表層全新世節(jié)理裂隙發(fā)育特征，采用探槽揭露。探槽位于小莊村東南田地—地裂縫開裂最明顯的位置(圖2荒地處)，地表高程6 m，大小20 m×10 m×6.5 m。探槽側(cè)壁底部(4.5～6.5 m)和底面發(fā)育大量細長節(jié)理裂隙(圖4)，節(jié)理裂隙寬度小于2 cm，呈樹根狀向下延伸，填充物為粉砂質(zhì)黏土，其顏色較兩側(cè)地層有明顯差異，尤其是在泥炭層中更加清晰，裂縫向下延伸過程中，寬度逐漸變窄，部分分支裂縫尖滅于土層中。

側(cè)壁剖面見圖5。從剖面圖可見2條裂縫，這與走訪調(diào)查結(jié)果一致，2條裂縫處于相鄰狀態(tài)，間距為1.5 m左右，最新出現(xiàn)的為右側(cè)裂縫，初步判斷2條裂縫交替出現(xiàn)。

圖4 探槽側(cè)壁和底面(鏡向180°)Fig.4 Side wall and bottom of trench

圖5 小莊探槽側(cè)壁剖面圖Fig.5 Profile of side wall of trench

探槽底面揭露泥炭層，厚度0.3 m，發(fā)育3條節(jié)理裂隙帶，間距0.5 m左右，呈辮狀發(fā)育，節(jié)理裂隙寬度小于1 cm，寬度很小但清晰可見，褐色或棕褐色粉砂質(zhì)黏土填充，與黑色泥炭層形成明顯對比(圖6)。

圖6 小莊探槽底面辮狀節(jié)理裂隙Fig.6 Braided joint cracks on the bottom of trench

1.3 全新世節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)活動斷層分布

為查明全新世節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)活動斷層分布，采取了高精度重力方法、淺震和α杯勘查三種方法[5]。

(1)高精度重力勘探及解譯

采用歸一化標準差法。該方法基于計算和追蹤重力場變換函數(shù)的極大值，計算結(jié)果中等值線極大值處推斷為斷層位置。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)資料，西至東推測有3條斷層(圖7)，依次命名F1、F2、F3，皆為正斷層。

圖7 重力地質(zhì)解譯Fig.7 Gravitational geological interpretation map

(2)淺震勘查及解譯

為研究3條活動斷層走向、傾向、傾角等產(chǎn)狀，選擇淺層地震勘查方法。由地震解譯剖面(圖8)基本確定節(jié)理裂隙的產(chǎn)生主要是受3條活動斷層的影響。

圖8 地震地質(zhì)解譯剖面Fig.8 Seismic geological interpretation profile

F1正斷層：傾向159°，傾角70°，垂直斷距10～20 m，水平斷距20～30 m。上斷點位于上更新統(tǒng)土層中。

F2正斷層：傾向151°，傾角70°，垂直斷距10～20 m，水平斷距20～30 m。上斷點位于上更新統(tǒng)土層中。

F3正斷層：傾向151°，傾角70°，垂直斷距15～25 m，水平斷距20～30 m。上斷點位于上更新統(tǒng)土層中。

由3條斷層的產(chǎn)狀可知，斷層的上端點均未延伸至地表，并與地表有一定的距離，其中F3活動斷層上端點正上方地表處與地表開裂位置近乎重合，可斷定該活動斷層為節(jié)理裂隙發(fā)育的控制因素，是該類地裂縫形成產(chǎn)生的內(nèi)部因素。

(3)α杯勘查及解譯

由α杯觀測曲線圖線(圖9)可以清楚地看到在220 m處，與地表開裂位置重合，左側(cè)脈沖次峰值與探槽揭露隱伏裂縫位置基本吻合，其兩側(cè)脈沖值明顯下降，據(jù)此判斷受活動斷層影響，節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)的寬度在20～30 m。

圖9 地裂縫α杯曲線圖Fig.9 Alpha cup curve of ground fissures

1.4 全新世節(jié)理裂隙型地裂縫開裂機理概念模型

華北平原晚更新至全新世以來，在水平地殼應(yīng)力場背景下[11]，受斷層活動影響，尤其是在活動性較強的周期段，在活動斷層上端點至地表間發(fā)育條帶狀張性節(jié)理裂隙，構(gòu)成了第四紀演化的一部分[12]，即前任學(xué)者曾提出的第四紀上部非飽和土體存在大量的“結(jié)構(gòu)缺陷部位”，是在構(gòu)造應(yīng)力場間接作用下產(chǎn)生的“破壞”。

根據(jù)地表地裂縫的產(chǎn)狀及地球物理勘查解譯成果，判定對節(jié)理裂隙的產(chǎn)生起到控制作用的活動斷層為張性斷層，斷層傾角較大，上端點埋深較淺，如小莊活動斷層傾角70°左右，上端點的埋深40～55 m。受張性斷層活動的影響，在其上端點與地表之間土層內(nèi)發(fā)育節(jié)理裂隙，且是張性節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙并非活動斷層上端點向地面的延伸，而是第四紀松散層受重力作用下，應(yīng)力釋放和重分布的結(jié)果，其傾角較斷層更陡，由槽探揭露，近乎90°，并且多條發(fā)育，呈帶狀，具有一定的發(fā)育寬度。節(jié)理裂隙由地表逐漸向深處發(fā)育，由上向下應(yīng)力釋放完畢后尖滅于松散土層中。該條帶的物理性質(zhì)與周圍相對穩(wěn)定沉積層因破碎而有明顯差異性，如滲透性明顯增大、固結(jié)程度低等。

近幾十年來，隨著華北平原潛水位的下降，導(dǎo)致第四紀松散含水層疏干以及少部分細顆粒隨水流帶至地表。在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，地表水和淺層地下水往往會沿滲透系數(shù)較大的節(jié)理裂隙下滲，在下滲過程中，節(jié)理裂隙內(nèi)填充物逐漸被帶走，節(jié)理裂隙被開啟，當遇到大暴雨、農(nóng)田澆地和輸水管道泄漏時，地表水會沿已經(jīng)開啟的節(jié)理裂隙向下滲漏，匯入已疏干的含水層，節(jié)理裂隙發(fā)育帶逐漸成為地表水向地下滲漏的通道。隨著地表土體流失，地表開裂變大，逐漸發(fā)育成有一定長度、寬度和可見深度的地面開裂，或者稱之為地裂縫，疏干含水層是地表流失水體和少量細顆粒土體的儲存場所，因此華北平原地下水位下降是全新世節(jié)理裂隙型地裂縫發(fā)生的外部條件，疏干的松散含水層是地表水沿節(jié)理裂縫下滲后的儲存場所，而活動斷層是產(chǎn)生該類地裂縫的內(nèi)部因素，兩者缺一不可。全新世節(jié)理裂隙型地裂縫開裂機理概念模型見圖10。

圖10 全新世節(jié)理裂隙型地裂縫開裂機理概念模型Fig.10 Conceptual model of the cracking mechanism of the joint fissure type ground fissures of Holocene

2 全新世活動斷層型地裂縫

全新世活動斷層型地裂縫主要受基底活動斷層影響，土體開裂是由基底斷層逐漸向上延伸至地表，此類斷層以正斷層為主，有一定的斷距，在地表呈現(xiàn)為“陡坎”，也是該類地裂縫在地表最明顯的識別特征，斷距大小與活動斷層活動強度成正比，與第四紀覆蓋層厚度呈反比，并且隨著深度的增加、地層年齡的增長，垂直錯距呈逐漸增大的趨勢,上盤影響區(qū)范圍往往大于下盤[13]。該類地裂縫的本質(zhì)是全新世活動斷層，也是城市規(guī)劃、工程活動等最需要避讓的災(zāi)種之一。以華北平原地裂縫影響較為嚴重的隆堯地裂縫為例，詳述該類地裂縫的開裂機理。

2.1 地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀

隆堯地裂縫出露于河北省邢臺市隆堯縣南，自20世紀60年代以來就有零星分布，因其發(fā)育在農(nóng)田、鄉(xiāng)道、河渠等非居住區(qū)而未得到必要重視。自2003年以來，地裂縫活動漸有增強態(tài)勢，受到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治部門的重點關(guān)注。當前該地裂縫集中發(fā)育于西店子、東店馬等十幾個村鎮(zhèn)，平面展布見圖11，從其發(fā)育規(guī)模(包括長度、寬度、深度)來看，屬于一條典型的巨型地裂縫，具有方向性、折線性、張扭性[6]等特征

圖11 隆堯地裂縫平面展布Fig.11 Map showing the occurrence of the ground fissures in Longyao

2.2 淺表層活動斷層發(fā)育現(xiàn)狀

隆堯地區(qū)第四系厚度可達300～550 m[14]，為揭露淺表層活動斷層發(fā)育特征，采用探槽揭露方法，探槽剖面見圖12。主要有以下特征：

(1)傾角特征

③粉土層中裂縫寬約30 cm，而至探槽底部變窄為1～2 cm。地表至-7 m裂縫呈圓弧狀發(fā)育，⑥粉土中傾角約為85°，⑦泥炭層中傾角約為80°，⑨泥炭層中傾角約為70°，可見裂縫傾角有向深部逐漸變緩的趨勢，與正斷層性質(zhì)相吻合。

(2)裂隙特征

該類地裂縫上盤較下盤一般裂隙更發(fā)育，垂向影響寬度更大，但虎中村探槽受施工場地影響，上盤揭露寬度較窄，地層雖然根據(jù)巖性和顏色能分清界線，但相比下盤，地層明顯松散，且在清理槽壁過程中，始終得不到光滑面，表面非常粗糙，裂隙難以辨認，但能看到裂隙跡象，固不能在圖中顯示裂隙具體產(chǎn)狀(圖12)。

(3)斷距特征

探槽揭露土層斷距見表1，地表斷距39.5 cm，近幾年活動速率明顯增大。在8.5 m揭露深度范圍內(nèi)出現(xiàn)2層泥炭層，斷距均為70 cm左右，較上部土層斷距明顯增大，故斷距也呈現(xiàn)向深部增大的趨勢，與正斷層性質(zhì)吻合。

表1 斷層上下盤各土層斷距Table 1 Breaking distance of the soil in the hanging wall and the foot wall of a fault

圖12 虎中村探槽剖面Fig.12 Trench profile near the Huzhong Village

2.3 全新世活動斷層區(qū)域構(gòu)造特征

該全新世活動斷層在區(qū)域上與隆堯斷裂(帶)位置和走向相一致，隆堯斷裂(帶)為華北平原拗陷區(qū)內(nèi)邢衡隆起與臨清拗陷的邊界[15]，斷裂長約29 km。根據(jù)資料，第四紀以來，該活動斷裂有過明顯構(gòu)造活動[16-17]，從而可以初步推斷，隆堯地裂縫是隆堯斷裂(帶)從深部向地表延伸后顯露地表而形成的，全新世以來仍有活動，并符合正斷層性質(zhì)，故稱為全新世活動斷層。

為查清全新世活動斷層在區(qū)域構(gòu)造中的位置、與區(qū)域活動斷層的關(guān)系以及在下部地層的產(chǎn)狀等，采用地震勘查[18]方法。地震剖面及地質(zhì)解譯剖面見圖13，主要有以下幾點特征：

(1)依據(jù)地震剖面上標準地震反射波組的形態(tài)和相互空間位置的變化，推斷有2條斷裂構(gòu)造。第四紀上更新統(tǒng)底界埋深90～110 m，中更新統(tǒng)底界埋深160～80 m，下更新統(tǒng)底界埋深340～400 m。

(2)斷層F1-1為正斷層，傾向358°，傾角70°。上更新統(tǒng)中垂直斷距約10 m，水平斷距約20 m；中、下更新統(tǒng)底界的垂直斷距分別為20 m、25 m。

(3)斷層F1-2為正斷層，傾向92°，傾角70°。上更新統(tǒng)中垂直斷距約10 m，水平斷距約20 m；中、下更新統(tǒng)底界的垂直斷距分別為20 m、25 m。

隆堯斷裂是由一條主斷裂和多條次級斷裂組成的斷裂帶[19]，隆堯地裂縫是由斷裂帶中的F1-1向地表延伸而形成的全新世活動斷層；斷距由下更新統(tǒng)底界處25 m向地表全新世頂部逐漸減小至0.39 m，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，與探槽揭露結(jié)果吻合。傾角由下更新統(tǒng)底界處70°向全新統(tǒng)頂部逐漸增大至90°，上陡下緩。

圖13 地震剖面及地質(zhì)解譯剖面Fig.13 Seismic profile and geological interpretation profile

2.4 全新世斷層型地裂縫開裂機理概念模型

華北平原全新世活動斷層的產(chǎn)狀特征符合正斷層性質(zhì)，正斷層主要是受到拉張力和重力作用形成，故又叫重力斷層。華北平原地裂縫中，存在斷距的地裂縫應(yīng)屬于全新世活動斷層，也是工程活動常考慮的區(qū)域穩(wěn)定因素。

全新世活動斷層是由基底活動斷層斷點延伸至地表，構(gòu)造應(yīng)力和重力在松散巖土體中得到釋放和應(yīng)力重分布，地表殘余應(yīng)力大小決定了地表斷距的大小，活動斷層的活動強度、基底斷層斷距大小和第四紀松散層的覆蓋厚度是重要影響因素。

全新世活動斷層形成過程中，伴隨應(yīng)力重分布，往往在兩盤形成較多的節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙的數(shù)量和規(guī)模主要取決于全新世活動斷層的活動強度及松散巖土體的性質(zhì)，這就是地裂縫中次級裂縫的由來。

斷層傾角由下而上逐漸變陡，在淺地表接近90°(探槽揭露)，主要是由于巖土體圍巖壓力由下而上逐漸減小，地表處圍壓為零，僅水平應(yīng)力。松散土體僅在水平應(yīng)力作用下時，破裂面近乎直立，全新世活動斷層型地裂縫開裂機理概念模型見圖14。

地表處兩盤斷距越大，地裂縫造成的危害往往越大，所經(jīng)過的房屋嚴重錯開，道路形成較大陡坎，人類工程活動應(yīng)采取避讓措施，避讓距離可參照有關(guān)工程地質(zhì)手冊及國家相關(guān)抗震規(guī)范[20]。

圖14 全新世活動斷層型地裂縫開裂機理概念模型Fig.14 Conceptual model of the cracking mechanism of the active fault type ground fissures of Holocene

3 結(jié)論和建議

(1)全新世節(jié)理裂隙型地裂縫：活動斷層在區(qū)域穩(wěn)定中“扮演”了邊界條件中的非穩(wěn)定因素，斷層的先期活動或者后期持續(xù)微弱的活動為裂隙的形成提供了動力來源，是裂縫產(chǎn)生的外部條件；第四紀松散堆積層潛水位的急劇下降，不僅使松散堆積層固結(jié)壓縮，同時產(chǎn)生了較大的滲透壓力，地表水匯流并沿滲透系數(shù)較大的張性節(jié)理裂隙帶向下滲流，并逐步帶走地表松散堆積物，形成地表開裂及塌陷，構(gòu)成了地裂縫地面塌陷形成的外動力條件。

(2)全新世活動斷層型地裂縫：地表斷距是評價全新世活動斷層危害程度的重要依據(jù)，活動斷層的活動強度、基底斷層斷距大小和第四系松散層的覆蓋厚度是重要的影響因素；受基底起伏面和第四系沉積物性質(zhì)不同的影響，同一條地裂縫的地表斷距會有一定區(qū)別，斷層持續(xù)活動加之上覆土體性質(zhì)而產(chǎn)生差異沉降；全新世活動斷層主要以正斷層為主，上盤下降較大，下盤有一定的上升量，下盤相對于上盤較穩(wěn)定，其災(zāi)害程度往往較低。

(3)現(xiàn)今城鎮(zhèn)中突發(fā)的路面塌陷(非采空區(qū))主要為全新世節(jié)理裂隙型地裂縫或局部塌陷，路面塌陷下往往會有輸水管道泄露。預(yù)防該類路面塌陷的工程措施主要是摸清裂隙發(fā)育區(qū)后，做好路面硬化和防止輸水管道泄露，且后者更重要。

(4)全新世活動斷層型地裂縫影響范圍大，但是在華北平原發(fā)育并不廣泛，根據(jù)目前掌握的資料，僅隆堯地裂縫一條。在工程建設(shè)中，避讓是主要的措施，且上盤避讓距離要大于下盤，具體避讓距離應(yīng)作專項研究，并參照國家相關(guān)規(guī)范和手冊。